＊趙學(xué)道

（新疆維吾爾自治區(qū)煤炭煤層氣測(cè)試研究所 新疆 830000）

煤灰成分主要是指煤炭資源在空氣中完全燃燒時(shí)顯露的、煤炭資源所蘊(yùn)含的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)成分及有機(jī)金屬物質(zhì)成分。對(duì)煤灰成分的測(cè)定，將在煤炭資源地質(zhì)勘探過(guò)程中為鉆井方式選擇、鉆井位置優(yōu)化等提供重要信息參考，使煤炭資源在不同煤層之間的對(duì)比得到科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，也能利用煤灰成分測(cè)定初步判別煤灰熔點(diǎn)，為煤灰資源的充分利用提供更強(qiáng)有力的證據(jù)。但在煤灰成分測(cè)定過(guò)程中，由于煤灰成分參數(shù)屬于精確度要求較高的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)難度較大，涉及煤灰成分分析、重量分析、滴定分析甚至不同滴定方法對(duì)煤灰成分中不同化學(xué)物質(zhì)含量的影響因素分析。

1.煤灰成分

煤炭資源蘊(yùn)含著多種多樣化學(xué)元素，磷、硅、鎂、氧、鈣、硫等元素比比皆是，以氧化物、金屬氧化物或者復(fù)合鹽結(jié)形式存在于煤炭資源中。煤灰是煤炭資源充分燃燒后生成的化學(xué)物質(zhì)，包含二氧化硅、三氧化硫、氧化鉀、氧化鈉等。

2.煤灰成分測(cè)定的影響因素分析

(1)重量分析

利用重量分析法測(cè)定煤灰中二氧化硅成分含量的大小時(shí)，在煤灰樣品中加入氫氧化鈉溶液后利用廢水浸潤(rùn)提取，再混合鹽酸酸化，將所有溶液蒸發(fā)至干燥狀態(tài)，最后在鹽酸介質(zhì)中利用動(dòng)物凝膠進(jìn)行沉淀，過(guò)濾后灼燒得到煤灰成分中含有的二氧化硅物質(zhì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程步驟繁瑣，在操作過(guò)程中對(duì)物質(zhì)成分提取和過(guò)濾、灼燒等的控制難度較大，也就成為煤灰物質(zhì)成分中二氧化硅成分含量測(cè)定的重要影響因素測(cè)定結(jié)果如表1所示。由表1可知，前兩次實(shí)驗(yàn)過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)樣品中二氧化硅實(shí)際含量標(biāo)準(zhǔn)值存在著較大偏差，呈現(xiàn)明顯偏高狀態(tài)。深入探究導(dǎo)致煤灰成分中二氧化硅成分測(cè)定結(jié)果偏高的原因可知，該實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷高溫灰化和灼燒過(guò)程，二氧化硅在經(jīng)過(guò)繁雜步驟后的沉淀并非是純白色，化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后的物質(zhì)部分白部分黑灰。

表1 二氧化硅的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

(2)滴定分析

煤灰成分測(cè)定過(guò)程中的滴定度是影響煤灰中諸多物質(zhì)成分含量結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，滴定度的準(zhǔn)確性將直接影響煤灰物質(zhì)中三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂等諸多物質(zhì)的百分?jǐn)?shù)含量，滴定度不準(zhǔn)確，則無(wú)法保證煤灰成分測(cè)定過(guò)程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在利用標(biāo)定后的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液滴定被測(cè)試的煤灰物質(zhì)時(shí)，煤灰物質(zhì)中的三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鈣和氧化鎂四種氧化物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)結(jié)果如表2所示。由表2可知，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值相比，三氧化二鐵和三氧化二鋁的測(cè)定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)結(jié)果普遍偏高，兩類(lèi)氧化物只有第六次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，氧化鈣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)僅第五次實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果偏低，氧化鎂的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果卻普遍偏高，僅僅第四次和第六次的測(cè)定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

表2 金屬氧化物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

(3)分光光度法測(cè)定TiO2和P2O5含量的影響因素

在利用分光光度法測(cè)定煤灰物質(zhì)中二氧化銻和氧化磷含量的影響因素時(shí)，以硫酸物質(zhì)為基本介質(zhì)，以磷酸掩蓋鐵離子，再利用鈦元素和過(guò)氧化氫形成的黃色絡(luò)合物的明顯可見(jiàn)狀態(tài)，測(cè)定煤灰物質(zhì)成分吸光度，得到二氧化銻的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。另一方面，借助硫酸氨和氫氟酸融合時(shí)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，將煤灰樣品中的二氧化硅成功析出，最后利用鉬酸銨和抗壞血酸溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成清晰可見(jiàn)的藍(lán)色物質(zhì)，借助分光光度法測(cè)定其吸光度，以此探究煤灰物質(zhì)中氧化磷物質(zhì)含量的具體值，整個(gè)測(cè)定結(jié)果如表3所示。由表3可知，氧化銻含量測(cè)定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，但氧化磷的含量測(cè)定結(jié)果呈現(xiàn)出起伏變化狀態(tài)，氧化磷含量測(cè)定結(jié)果初始值偏低，但第五次和第六次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，究其原因可知，影響氧化磷成分含量的測(cè)定因素主要是未曾現(xiàn)場(chǎng)配置、現(xiàn)場(chǎng)使用抗壞血酸氨，在一定程度上降低了煤灰成分測(cè)定過(guò)程中氧化磷含量測(cè)定的準(zhǔn)確性。

表3 二氧化銻和氧化磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

(4)庫(kù)侖滴定法測(cè)定SO3含量的影響因素

利用庫(kù)侖滴定法測(cè)定煤灰物質(zhì)中三氧化硫的物質(zhì)含量時(shí)，以煤炭資源完全燃燒后形成的煤灰樣品為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在1150℃的高溫實(shí)驗(yàn)條件下添加適量的庫(kù)倫滴定法所需催化劑，以空氣流完全凈化為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，在其中燃燒制成的煤灰樣品，使煤灰樣品中的硫元素在充分的化學(xué)燃燒過(guò)程中生成二氧化硫和三氧化硫，利用燃燒環(huán)境中的空氣流將生成的氣體帶入特定設(shè)備，使生成的二氧化硫和三氧化硫在設(shè)備內(nèi)部的電解池結(jié)構(gòu)中生成亞硫酸和硫酸物質(zhì)，及時(shí)啟動(dòng)電解池結(jié)構(gòu)的電解碘化鉀的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，生成碘物質(zhì)標(biāo)記溶液環(huán)境中的亞硫酸，最后根據(jù)設(shè)備顯示值計(jì)算得出煤灰樣品中三氧化硫的具體含量，整個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，后三次測(cè)定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，但前三次測(cè)定結(jié)果使煤灰樣品中的三氧化硫質(zhì)量百分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)偏高或偏低狀態(tài)。

表4 三氧化硫的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

(5)火焰光度法測(cè)定K2O和Na2O含量的影響因素

在利用火焰光度法測(cè)定煤灰樣品中氧化鉀和氧化鈉物質(zhì)含量的影響因素時(shí)，煤灰樣品經(jīng)過(guò)氫氟酸和硫酸的分解作用制成稀硫酸溶液，利用火焰光度法測(cè)定煤灰樣品中氧化鉀和氧化鈉的物質(zhì)百分?jǐn)?shù)含量。由于火焰光度計(jì)調(diào)零過(guò)程甚至調(diào)滿(mǎn)過(guò)程較為復(fù)雜，因此，煤灰樣品氧化鉀或氧化鈉的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液的精確配置在整個(gè)煤灰樣品氧化鉀和氧化鈉物質(zhì)含量的測(cè)定過(guò)程中有著不可忽視的重要價(jià)值。利用標(biāo)準(zhǔn)煤灰樣品為研究實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用火焰光度法測(cè)定樣品中氧化鉀和氧化鈉物質(zhì)含量，其測(cè)定結(jié)果如表5所示，由表5可知，火焰光度法測(cè)定煤灰樣品中氧化鉀或氧化鈉含量的準(zhǔn)確度較高，6次實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

表5 氧化鉀和氧化鈉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

3.結(jié)論與展望

總而言之，在煤灰成分的化學(xué)測(cè)定過(guò)程中，重量分析法操作過(guò)程較為復(fù)雜，且試驗(yàn)步驟較多，很容易影響煤灰物質(zhì)中二氧化硫、二氧化硅含量的具體測(cè)定。利用滴定分析法測(cè)量煤灰物質(zhì)中三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鈣和氧化鎂的物質(zhì)含量時(shí)，pH值、外界溫度條件、滴定劑、滴定程度甚至滴定速度等都是影響最終測(cè)定結(jié)果的重要因素。上述兩種方法很容易造成煤灰樣品中具體物質(zhì)含量測(cè)定結(jié)果的偏高或偏低，因此，必須熟練掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及操作技巧，不斷提升測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度。利用分光光度法測(cè)定二氧化銻和氧化磷含量或利用庫(kù)侖滴定法測(cè)定三氧化硫含量以及利用火焰光度法測(cè)定氧化鉀和氧化鈉含量時(shí)，方法較為簡(jiǎn)單，操作結(jié)果準(zhǔn)確度較高，煤灰樣品測(cè)定值基本在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，可在煤灰成分測(cè)定過(guò)程中推廣使用。